2014 细菌的 遗传与变异

第四章细菌的遗传与变异罗冬青微生物学教研室第四节遗传和变异一、遗传与变异的概念二、常见的细菌变异现象三、细菌的基因组四、细菌变异的机制五、细菌遗传变异研究的意义遗传和变异概念1、遗传2、变异指亲代的特性可通过遗传物质传递给子代，保证物种的稳定性。在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间生物学性状出现的差异称为变异。遗传变异细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。表型变异环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)琼脂培基常见的细菌变异现象青霉素、溶菌酶正常形态细菌L型变异抗体或补体1、形态结构变异陈旧培养基长期培养S菌落R菌落或在有免疫力的人体内►细菌结构变异可导致抗原性改变。2、菌落的变异3、抗原性变异常见的细菌变异现象胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗13年（230代）4、毒力变异常见的细菌变异现象►细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株)长期培养5、耐药性变异常见的细菌变异现象细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白，无核膜包围。细菌的基因组特征：1、细菌的染色体相对较小；基因是连续的，无内含子；大部分DNA用于编码蛋白质；仅少数基因存在基因重叠现象；多为单拷贝的；2、质粒（plasmid）质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。有自我复制能力编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除具有转移性►质粒的特征细菌的基因组F质粒►几种重要的质粒：带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛。R质粒编码细菌对抗菌药物的耐药性。可通过细菌间接合或通过噬菌体进行传递。细菌的基因组Vi质粒Col质粒编码各类细菌素代谢质粒编码产生相关的代谢酶编码细菌的毒素细菌的基因组3、噬菌体基因组（bacterialphagegenome）►是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。细菌的基因组是细菌基因组中能改变自身位置的DNA序列4、转座元件（transposableelement）插入序列（insertionsequence,IS）：是最小的转座元件，不携带任何与插入功能无关的基因区域，插入后与插入点附近的序列共同起作用。►包括：插入序列、转座子TransposaseABCDEFGGFEDCBA细菌的基因组转座子（transposon,Tn）ISISResistanceGene(s)ISISResistanceGene(s)长度一般超过2kbp，携带特殊功能基因，不含自身所需要的基因如耐药性基因、重金属抗性基因、糖发酵基因、肠毒素基因等分为复合型转座子、Tn3系转座子和接合性转座子细菌的基因组转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6Km（卡那霉素）Tn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四环素）tn551Em（红霉素）Tn971Em（红霉素）Tn681大肠埃希菌（肠毒素基因）5、整合子（integronIn)►含有整合酶基因、重组位点和启动子三个功能元件。是一种可移动的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位。细菌的基因组一、基因突变突变是DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。细菌变异的机制可自发产生（彷徨试验、影印试验），也可人工诱导产生可发生回复突变，多为是表型的回复1、基因突变规律随机的、非定向的突变，是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用。彷徨试验影印培养试验2、突变型细菌种类及其分离：耐药性突变型药敏试验营养缺陷突变型营养物质筛选条件致死性突变型温度敏感试验发酵阴性突变型乳糖发酵试验细菌变异的机制二、基因的转移和重组(Genetransferandrecombination)►细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和原生质融合等方式进行。基因重组：转移的基因与受体菌DNA整合在一起的过程称为基因重组（generecombination）。基因转移：外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（genetransfer）。细菌变异的机制转化（transformation）ⅡRⅢSⅡRⅢS（死）ⅢS（死）ⅢSⅢSⅢSⅢSDNAⅡR肺炎链球菌注射分离培养转化（transformation）►转化是受体菌直接摄取供体菌DNA片段而获得新的遗传性状的过程。►供、受体菌的基因型相似，且受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子，Mg2＋、Ca2＋、cAMP等可促进转化。►转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过10~20个基因。转化（transformation）转化过程►接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌的方式。接合（conjugation）接合性质粒主要包括F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。接合（conjugation）DonorF+F-F+F-F+F+F+F+Recipient►F质粒的接合接合（conjugation）F+F+Hfr接合（conjugation）F质粒从Hfr菌中的整合作用是可逆的，脱离携带有相邻染色体的F质粒称为F’►F质粒的接合（高频重组株Hfr）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-Hfr转移细菌染色体过程F’F’F’F’F’F-F’F-►R质粒的接合接合（conjugation）R质粒与耐药性有关，尤与多重耐药性有关。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。R质粒由耐药传递因子（resistancetransferfactor,RTF）及耐药决定子（resistancedeterminant,r-det）两部分组成。接合（conjugation）RTFISR决定因子Tn9Tn4Tn5Tn9耐氯霉素Tn4耐氨苄青霉素、链霉素等Tn5耐卡那霉素►转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。转导（transduction）普遍性转导（generaltransduction）局限性转导（restrictedtransduction）噬菌体装配错误，误将宿主染色体片段或质粒装入噬菌体内，最终将供体菌DNA转入受体菌。由温和噬菌体介导，前噬菌体脱落带有宿主菌染色体，再感染时带给受体菌。普遍性转导完全转导流产转导局限性转导脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导局限性转导基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性►溶原性转换是当温和噬菌体感染细菌时，以前噬菌体形式与细菌基因组整合，使其成为溶原细菌而致细菌获得新的性状。溶原性转换（lysogenicconversion）白喉棒状杆菌产生白喉毒素；A群溶血性链球菌产生致热外毒素；肉毒梭菌的毒素等。原生质体融合►原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。原生质体融合是一种人工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。基因转移重组类型基因来源转移方式转化供体菌直接摄取接合供体菌性菌毛转导供体菌噬菌体为载体溶原性转换噬菌体整合细菌形态结构的变异与细菌学诊断细菌的耐药变异与控制细菌毒力变异与控制检测致癌物方面的应用基因工程方面的应用细菌遗传变异研究的意义Ames试验：本章目的要求1、掌握质粒、转座元件、插入序列、转座子、整合子、转化、接合、转导、溶原性转换等概念。2、熟悉细菌的遗传物质，细菌基因转移与重组的过程，基因的突变，突变型细菌的种类，细菌遗传变异的实际意义。3、了解细菌基因表达的调节。1、细菌基因转移的类型及其主要差异？2、何谓Transposon、IS、F质粒、R质粒、Hfr和Ames试验？3、影印试验验证何种理论？研究细菌的突变在临床上有何意义？思考题中英文关键词(keywords)Chromsome（染色体）Plasmid（质粒）Prophage（前噬菌体）Ffactor（F因子）TransposableElements（转座元件）Lysophage(temperate)phage（温和噬菌体）Virulentphage（毒性噬菌体）Transduction（转导）HorizontalGenetransfer（水平基因转移）Transformation（转化）Conjugation（接合）Generaltransduction（普遍性转导）Lysogenic（specific）transduction/conversion（溶原性转换）Hfr（高频重组菌株）Rplasmid（R质粒）正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型S型菌落R型菌落